軟弱圍巖淺埋偏壓連拱隧道力學(xué)效應(yīng)研究.pdf

1、經(jīng)過十幾年的工程實踐，連拱隧道已在我國公路工程得到廣泛應(yīng)用。然而，作為一種新穎的結(jié)構(gòu)形式，連拱隧道在應(yīng)用過程中也存在不少問題。本文通過對國內(nèi)外222座連拱隧道的調(diào)查，分析了連拱隧道工程應(yīng)用的主要特點和相關(guān)參數(shù)，進而研究連拱隧道應(yīng)用中的主要問題和影響因素，認為軟弱圍巖、淺埋和偏壓是引起連拱隧道施工事故和結(jié)構(gòu)病害的主要客觀因素。本文以云南省思(茅)小(勐養(yǎng))高速公路連拱隧道為工程背景，采用室內(nèi)試驗、模型試驗、現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬方法研究了軟弱

2、圍巖的力學(xué)性質(zhì)、偏壓連拱隧道的力學(xué)特性和穩(wěn)定性問題，探討了偏壓連拱隧道的時間效應(yīng)，提出了相應(yīng)的荷載設(shè)計計算方法。 選擇背景工程所處地層的泥巖A和泥巖B作為Ⅳ級圍巖和Ⅴ級圍巖代表性圍巖介質(zhì)，通過室內(nèi)試驗方法，研究泥巖的物理力學(xué)性質(zhì)和參數(shù)取值。泥巖具有較高含水量和易風(fēng)化特性，在自然空氣中易發(fā)生表層水份揮發(fā)而產(chǎn)生裂隙或巖塊剝落現(xiàn)象。泥巖的抗壓強度與泥巖含水量、試件是否存在軟弱面有關(guān)。室內(nèi)試驗發(fā)現(xiàn)，無軟弱結(jié)構(gòu)面泥巖的單軸壓縮應(yīng)力．應(yīng)變?nèi)?/p>

3、過程曲線可以分為5個區(qū)段：巖石內(nèi)微裂隙閉合Ⅰ區(qū)段、線彈性發(fā)展Ⅱ區(qū)段、剪脹萌發(fā)Ⅲ區(qū)段、不穩(wěn)定裂隙增長Ⅳ區(qū)段和峰值后Ⅴ區(qū)段。各變形區(qū)段的明顯程度隨巖石材料種類有所差異，如A組泥巖微裂縫閉合Ⅰ區(qū)段明顯；而B組泥巖的Ⅰ區(qū)段不顯著，但B組泥巖的峰值后Ⅴ區(qū)段長度大于A組泥巖，峰值后殘余強度與峰值比大于A組泥巖。不同于無結(jié)構(gòu)面泥巖試件，存在軟弱結(jié)構(gòu)面的試件應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線顯現(xiàn)出軟弱結(jié)構(gòu)面壓縮、結(jié)構(gòu)面剪切和結(jié)構(gòu)面軟化等三個階段，充分印證了巖石力學(xué)與

4、工程理論中關(guān)于軟弱結(jié)構(gòu)面控制的假設(shè)。 通過泥巖的單軸壓縮蠕變試驗研究發(fā)現(xiàn)，泥巖具有很高的蠕變變形特征，蠕變量隨著泥巖試件的含水量增加而增大。泥巖的蠕變性質(zhì)與泥巖的排水條件有關(guān)。在不排水條件下，泥巖的流變特性可以采用Burgers模型以反映泥巖蠕變量隨時間增大和蠕變破壞發(fā)生的規(guī)律；在排水壓縮條件下，泥巖的流變特性可用廣義Kelvin模型予以描述。另外，在排水蠕變作用下，泥巖通常產(chǎn)生硬化作用。 通過1:100小比例模型試驗、

5、現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬，對無、有偏壓連拱隧道的力學(xué)和變形特性進行了較為詳盡和深入的研究。無偏壓作用狀態(tài)下，連拱隧道的內(nèi)力和變形受隧道施工工藝順序影響較大。隧道開挖過程是圍巖應(yīng)力發(fā)生急劇變化的階段，也是隧道發(fā)生大變形而引起失穩(wěn)的階段。仰拱開挖過程中，由于側(cè)墻部位的支護結(jié)構(gòu)支撐減弱，初襯支護結(jié)構(gòu)下沉，引起上拱圈部位的圍巖壓力減小，側(cè)墻部位初襯圍巖壓力增加?；炷炼r與仰拱、中墻等部位的襯砌結(jié)構(gòu)形成閉合，有效地限制隧道周邊變形，明顯增強了隧道支護

6、的穩(wěn)定性；期間，隧道二襯結(jié)構(gòu)和初襯支護共同承擔(dān)圍巖松弛和蠕變產(chǎn)生的應(yīng)力。后行隧道施工過程的應(yīng)力和變化與先行隧道施工過程相似，但圍巖應(yīng)力釋放程度明顯小于先行隧道，拱頂下沉、邊墻水平位移等變形比先行隧道變形小。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因在于先行隧道開挖產(chǎn)生應(yīng)力釋放，使得后行隧道的初始應(yīng)力水平大為降低。 在地形偏壓作用下，連拱隧道整體向淺埋側(cè)移動，淺埋側(cè)和深埋側(cè)的圍巖出現(xiàn)被動壓力和主動壓力作用；隧道結(jié)構(gòu)處于不均衡受力狀態(tài)，即淺埋側(cè)隧道邊墻圍巖

7、應(yīng)力大于深埋側(cè)隧道，這種不均衡作用隨著地形坡度比增加而增大；當(dāng)連拱隧道在嚴重不均衡力作用下，結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生較大變形，最終導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫或滲漏水。地形偏壓作用下連拱隧道淺埋部位拱頂沉降大于深埋部位拱頂沉降；隨著地形坡度比增加，先行隧道初襯拱頂下沉變化量增加。連拱隧道偏壓作用程度隨隧道埋深增加而減小。當(dāng)隧道埋深大于1.6倍隧道開挖寬度時，因地形坡度產(chǎn)生的偏壓作用可以忽略不計。地形偏壓作用越大，中墻偏心作用越顯著，承受的彎矩也越大。

8、 無地形偏壓作用時連拱隧道地表沉降槽呈現(xiàn)以中墻中線為中點的非對稱形狀，先行隧道頂部的地表沉降影響范圍大于后行隧道頂部的地表沉降影響范圍，且發(fā)生在先行隧道頂部的最終地表沉降量大于后行隧道頂部。地表沉降主要發(fā)生于先行隧道和后行隧道的主洞室開挖階段，中導(dǎo)洞施工階段和隧道后期穩(wěn)定階段產(chǎn)生的地表沉降較小，約為最終地表沉降的10％左右。 連拱隧道時效性與地形偏壓作用有相關(guān)性，無偏壓連拱隧道承受的圍巖壓力、襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力和隧道變形與時間成對數(shù)關(guān)

9、系，最終趨于穩(wěn)定；地形偏壓作用下初襯支護位移與時間成增大變化，且受地形坡度比和埋深制約。 本文在模型試驗、現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬結(jié)果分析基礎(chǔ)上，結(jié)合坡形地層自重應(yīng)力與圍巖強度分析，探索性提出了以地形偏壓系數(shù)作為判別偏壓連拱隧道的標準。結(jié)合我國行業(yè)規(guī)范《公路隧道設(shè)計規(guī)范》(JTGD70-2004)，從圍巖應(yīng)力作用率、地形偏壓系數(shù)和深淺隧道不同受力角度，提出了偏壓連拱隧道圍巖壓力計算方法，以及中墻荷載和偏心距計算公式。該計算方法，以及提